半导体和激光器里都有它！什么是微结构材料

同种材料化学成分一样，功能却不同？里面其实是微结构在发挥作用！那么，究竟什么是微结构，它又是如何决定物质材料的性能的？科普中国采访到了祝世宁院士，以下为采访实录：

1、什么是微结构材料？

其实微结构材料与大家的日常生活息息相关。我先不谈功能材料，就以食品材料为例。面粉加工成各种面食，比如烤面包、蒸馒头，还有人做不发酵的硬大饼，虽然原料都是面粉，但咬在嘴里的口感完全不同。

把面包、馒头和死面饼掰开来看，内部结构明显不同：面包中有小孔洞，馒头有时也有，而死面饼基本没有孔洞，掰开后只能看到密实的粒子。为什么会有这样的差异？关键就在于它们内部的微结构不同——孔洞的大小、分布直接影响食物的松软度和口感。即使是同一种面粉，加工方式不同，形成的结构也不一样，更不用说精面粉与全麦粉的差异了：全麦粉保留了麦粒中的其他成分，不仅营养更丰富，视觉上也能看出微结构上的区别。

功能材料的研究也是类似的道理，只不过所关注的微结构尺度更小。从物质构造的角度来说，地球上的元素可组成各种化合物，形成晶体或多样材料。即便化学成分相同，材料的性能仍可能因结构不同而产生差异。

举个例子，飞机发动机叶片由钛合金制成，要求极高，必须耐高温。同为钛合金，不同工艺制成的叶片性能却可能天差地别。在显微镜下观察，会发现钛合金由许多细小的晶粒组成，这些晶粒尺寸极小，可能是头发丝的几十分之一，肉眼不可见，但其结构和成分直接影响叶片的质量。科学家正是通过研究这些晶粒的组成与排列，通过不同工艺调控微结构，最终研制出符合要求的钛合金。

因此，微结构材料的性质不仅取决于化学元素，很大程度上也取决于其内部的微小结构颗粒。

我们长期从事激光晶体和非线性光学晶体研究。我的老师辈就开始探索微结构对晶体性能的影响。例如，半导体发光材料所发出光的波长和颜色，就与其微结构有关。我们通过调控晶体内部的微结构，使其不仅能发光，还能发出我们所需的多色光——尽管化学元素相同，但借助结构上的“搭积木”或“乐高”式组装，就能赋予材料全新的性能。

我们南京大学固体微结构实验室从40年前组建以来，一直专注于这一领域。如今，我们的研究已能在光芯片上实现微结构加工：在显微镜下，可见芯片上布满精密的结构单元，它们虽肉眼难辨，却能对光、电进行精确调控，指挥光路走向，或将信息加载于光上——这些功能都是通过微结构实现的。

2、到底多大或者多小能算是微结构？

你提出了一个很好的问题。去年诺贝尔化学奖得主之一——化学家贝克（David Baker）的研究就是一个典型例子。他研究的是蛋白质折叠：蛋白质是由氨基酸构成的长链，但长链本身不具备功能，必须在特定条件下折叠成三维结构，才能发挥作用。贝克揭示了蛋白质折叠与其功能之间的关系，从而实现了对蛋白质结构与功能的设计。这一折叠过程正是在分子尺度上实现的微结构调控。

因此，微结构的大小取决于你所追求的性能。在光学中，若要调控光的颜色，微结构尺寸需与光的波长相仿。例如调控600纳米波长的红光，结构大小也应在数百纳米级别；若要调控声波，由于声波波长可达厘米或毫米量级，相应的微结构也需与之匹配。

3、蛋白质大分子排列的结构本身是固定的，微结构与它有什么不同？

蛋白质是有机大分子，属于一类特定的材料。而我们通常所说的晶体材料（如钻石或刚玉）则具有不同的结构特性。例如金刚石由碳组成，刚玉（氧化铝）因掺入不同发色元素而呈红或蓝色——这些元素在晶体排列过程中被引入，形成特定微观结构，从而影响材料的光学表现。

这就像全麦粉与标准面粉的差异：不同材料要实现不同功能，其微结构的设计就成为关键。不是随便掺入某些元素就能有效果，必须根据目标性能，科学地设计结构，才能达到预期效果。

4、不同的钻石之所以会有各种颜色，都是因为它们的微结构不同吗？

不一定是“不同的钻石”，更准确地说，是掺杂浓度或缺陷结构不同。例如金刚石中的“色心”，即某些位置出现空位或掺入外来原子，这种局部缺陷结构就是一种微结构。如今，金刚石色心在量子光学和量子存储中已有重要应用。

再比如石墨烯：单层石墨烯是一种二维微结构，多层堆叠则形成石墨。钢也是如此：不锈钢、软钢、硬钢的性能差异主要来自碳含量和内部结构的不同。在显微镜下可见钢中的马氏体、珠光体等微结构，它们决定了钢的性能。因此，材料一般不能直接使用自然状态下的纯金属，而需通过工艺调整微结构，才能获得所需的性能。

5、微结构是如何影响不同材料的各种性能？

对于结构材料，微结构调控其力学性能；对于光学材料，则调控其光学性能。不同材料需依据不同科学原理进行设计。

例如在光学中，要实现高效倍频（如将红外激光转为绿光），需解决不同颜色光在材料中传播速度不同的问题（即“色散”）。通过设计微结构，可使快慢光同步传播，实现“位相匹配”，从而提升转换效率。这类结构通常为微米量级。

再以面粉为例，其中的气孔大小就直接决定了面食的口感。

6、通过微结构来调控功能材料，有哪些独到的优势？

微结构调控带来许多独特优势。例如我们1997年在《科学》杂志上发表的研究，通过微结构设计实现了三倍频效应，将激光颜色转换为更短波长，甚至同时产生两种不同颜色的光，这在激光技术中有重要应用。

在量子技术中，微结构可用于产生多对纠缠光子，大幅提升量子光源的效率。此外，在光子芯片中，微结构能集成多种光学功能于单一平台，替代传统复杂的光学元件组合，显著提高集成度与实用潜力。

如今，我们甚至可用微结构光学元件（如超表面透镜）替代传统多片透镜组。例如在一个微米厚的氧化钛薄膜上加工出纳米柱阵列，通过结构设计实现无色差、无像差的成像效果，直接贴附于传感器上即可工作。这类“超透镜”正在推动摄影镜头的轻薄化和集成化，已有创业公司致力于将传统照相系统替换为一片微结构薄膜——尽管目前仍处于研发阶段，但已显示出巨大的应用前景。

受访人： 祝世宁

审核：姬扬 浙江大学物理学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司